Ученые СПбГУ первыми объяснили особенности электронного строения перспективного для энергетики соединения

В настоящее время комплексы переходных металлов с лигандами — молекулами, которые связываются с металлами в комплексные соединения — рассматриваются как перспективные для применения в качестве катализаторов, электрохромных и электролюминесцентных материалов, электродов для суперконденсаторов, аккумуляторов и других электрохимических накопителей энергии. Наиболее перспективным материалом считается органическое соединение сален и его производные. Саленовые лиганды способны взаимодействовать с широким спектром ионов переходных металлов, благодаря чему их можно использовать во многих сферах — от разработки антибактериальных препаратов до создания промышленных катализаторов.

Результаты исследования опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.

Важной научной задачей в изучении этого класса материалов является определение взаимосвязи между их электронной структурой и электрохимическим поведением. Это может помочь найти эффективные подходы к синтезу и эффективному практическому применению соединений на основе комплексов салена с ионами металлов.

Физики и химики Санкт-Петербургского университета впервые в мире провели сравнительное исследование электронного строения саленового лиганда в свободной молекуле H₂(Salen) и молекулярном комплексе [Ni(Salen)] с использованием перспективных методов рентгеновской фотоэмиссии (XPS) и рентгеновского поглощения (NEXAFS). Дополнительно были проведены расчеты электронной структуры молекулы и комплекса с использованием теории функционала плотности.

«В результате анализа полученных данных для атомов лиганда (углерода, азота и кислорода) в молекуле и комплексе нам удалось охарактеризовать направления переноса электронной плотности между комплексообразующим атомом никеля и атомами лиганда, изменение химического состояния атомов лиганда и их локальной электронной структуры при переходе от молекулы к комплексу», — пояснил старший научный сотрудник кафедры электроники твердого тела СПбГУ Петр Корусенко.

Санкт-Петербургский государственный университет — первый университет России — был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — научный, образовательный и культурный центр мирового уровня. В 2024 году Санкт-Петербургский университет отметит свой 300-летний юбилей.

План мероприятий в рамках празднования юбилея Университета был утвержден на заседании оргкомитета по празднованию 300-летия СПбГУ, который провел заместитель председателя Правительства РФ Дмитрий Чернышенко. Среди таких мероприятий — присвоение малой планете имени в честь СПбГУ, выпуск банковских карт со специальным дизайном, создание почтовых марок, посвященных истории первого университета России, брендирование самолета авиакомпании «Россия» и многое другое. Кроме того, Университет запустил сайт, посвященный предстоящему празднику, с информацией о выдающихся универсантах, научных достижениях и подробностях подготовки к юбилею.

По словам ученых СПбГУ, полученная информация крайне важна для последующего описания атомно-электронного строения полимера poly‑[Ni(Salen)], синтезированного электрополимеризацией, то есть сцеплением определенным образом молекул мономера [Ni(Salen)]. Ожидается, что такой подход позволит дать однозначные ответы о механизмах полимеризации молекул мономера, что будет способствовать успешному практическому применению комплексов салена.

Дальнейшие планы ученых Университета связаны с разработкой способов получения новых композитных материалов с улучшенными энергетическими характеристиками на основе многостенных углеродных нанотрубок, выполняющих роль высокопроводящего пористого каркаса, и полимеров на основе салена. На настоящий момент ученые СПбГУ уже получили пористый слой на поверхности титановой подложки (электрода) без использования традиционно применяемых связующих типа поливинилиденфторида. Такого результата удалось достичь за счет облучения ионами аргона и гелия предварительно нанесенного слоя многостенных углеродных нанотрубок.

В работе использовалось оборудование установки генерации синхротронного излучения класса «мегасайенс» BESSY II, а также спектрометр Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250 Xi в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ.

Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 21-72-10029 «Новые нанокомпозиты на основе электропроводящих полимеров poly-[M(Salen)] (M=Co, Ni, Cu) и углеродных наноструктур для суперконденсаторов: атомно-электронное строение и электрохимические свойства по данным XPS, NEXAFS, EXAFS спектров и электрохимических измерений».